Ученые измерили квантовую суперпозицию
Ученые из Йельского университета измерили квантовую суперпозицию кубита и тем самым нашли ответ на главный вопрос из известного эксперимента Шредингера, — жив ли кот в коробке? Об этом пишет Хроника.инфо со ссылкой на Новое время.
Квантовая суперпозиция является одним из основных принципов квантовой механики, согласно которому частицы на квантовом уровне ведут себя непредсказуемо и находятся в двух состояниях одновременно до того момента, пока мы не измерим одну из них.
Самым известным примером квантовой суперпозиции является так называемый кот Шредингера — эксперимент австрийского физика Эрвина Шредингера.
Суть эксперимента в следующем: в коробке с условным котом находится радиоактивный элемент и колба с ядом, которая может разбиться, если радиоактивный элемент распадется. Если колба разобьется — кот умрет, но мы не знаем наверняка, распадется ли атом радиоактивного элемента, и никто, включая кота, не может на это повлиять. Следовательно, кот и жив, и мертв одновременно, что и называется квантовой суперпозицией.
Определить точное состояние кота мы сможем только после того, как откроем коробку. Казалось бы, все предельно просто, и физика здесь вообще не причем. Но на самом деле состояние кота Шредингера в квантовом мире определяет именно факт нашего наблюдения. Это явление называется квантовым скачком, из-за которого измерение состояния одной квантовой частицы автоматически определяет состояние другой.
Главная проблема квантовой суперпозиции и квантового скачка в том, что частицы ведут себя непредсказуемо, и мы никак не можем на них повлиять ни до измерения их состояния, ни после.
Однако, физики из Йельского университета на днях опубликовали исследование, согласно которому они научились предсказывать состояние частицы во время квантового скачка. Как пишет Gizmodo, для эксперимента они использовали искусственные атомы — кубиты, которые являются наименьшим элементом для хранения информации в квантовом компьютере.
Если состояние обычного атома определяется позицией электрона вокруг его ядра, то состояние искусственного атома (в данном случае — кубита) определяется с помощью квантовой позиции, которая изменяется при прохождении изолирующего слоя.
Чтобы создать такой изолирующий слой ученые разработали сверхпроводящую цепь, по центру которой был так называемый джозефсоновский контакт — соединение, разделяющее два сверхпроводника. Технически, подобная система является двухкубитным квантовым компьютером, но ее главная цель — измерить состояние кубитов.
Для этого ученые настроили два радиоактивных сигнала: первый выделяет необходимое количество энергии для того, чтобы искусственный атом перешел от спокойного состояния в возбужденное, а второй измеряет энергию в цепи во время этого перехода.
Как известно, квантовый скачок может сопровождаться излучением или поглощением фотонов — мельчайших частиц света. С помощью этого ученые установили, что видимый фотонный сигнал является индикатором спокойного состояния искусственного атома. Отсутствие фотонного сигнала, наоборот, означает, что квантовое состояние кубита перешло в возбужденное.
Активирование микроволновых импульсов в определенное время в таком устройстве, по сути, означает измерение квантового состояния атома до квантового скачка и, как следствие, после определения его суперпозиции.
Таким образом, ученые научились предсказывать поведение атома во время квантового скачка и даже управлять его квантовым состоянием. Для упомянутого кота Шредингера это означает, что мы смогли бы определить его судьбу, измерив первичное квантовое состояние, а не просто узнать жив он или мертв фактом своего наблюдения.
Тем не менее, в явлении квантовой суперпозиции все еще остается слишком много неизвестных переменных. В частности, ученые до сих пор не могут определить, когда конкретно произойдет квантовый скачок, — через несколько мгновений после активирования излучения, или через несколько часов.
Проведенный эксперимент несет наибольшую ценность для развития сферы квантовых компьютеров, поскольку система определения переходов между квантовыми состояниями кубитов позволит ученым управлять квантовой информацией и исправлять случайные ошибки, которые часто возникают в пока примитивных квантовых компьютерах.
«Квантовые скачки атома в некоторой степени аналогичны извержению вулкана. Они абсолютно непредсказуемы в долгосрочной перспективе. Тем не менее, при правильном мониторинге мы можем с точностью обнаружить заблаговременное предупреждение о надвигающейся катастрофе и принять меры до ее возникновения», — говорит физик из Йельского университета Златко Минев, который также является сотрудником компании IBM, где разрабатывают квантовые компьютеры.